一、桁架式柱
鋼管桁架作為梁結(jié)構(gòu)的使用是我們所熟悉的，空間體系常用的有倒三角型，即三根鋼管作為弦桿，以及有四根鋼管的矩形或者梯形的結(jié)構(gòu)形式。鋼管桁架作為柱結(jié)構(gòu)來使用也越來越普遍了，實(shí)際上它也是一種格構(gòu)式柱，弦桿就是柱的分肢，腹桿就是柱的綴材。在具體設(shè)計(jì)過程中，也就是在利用分析設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常意義上的格構(gòu)柱，在計(jì)算模型中我們往往作為一個(gè)整體構(gòu)件，而對桁架式柱，則所有的弦桿腹桿作為模型中的獨(dú)立的單元，因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)的容量處理它們早就不再是問題了。
為什么會這樣做呢？因?yàn)橛行┙Y(jié)構(gòu)工程師這樣覺得計(jì)算會更加精確，每個(gè)小構(gòu)件，軟件都給出了它們的應(yīng)力值。但是有個(gè)問題值得討論一下，我們知道，對受壓構(gòu)件，在設(shè)計(jì)中要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算，對強(qiáng)度計(jì)算沒什么問題，對穩(wěn)定呢？軟件給出的一般是所謂的單桿穩(wěn)定，弦桿的計(jì)算長度系數(shù)一般默認(rèn)取為節(jié)間距離，而單桿穩(wěn)定應(yīng)力也是基于這個(gè)計(jì)算長度的，對應(yīng)單桿穩(wěn)定，還有一個(gè)名詞叫整體穩(wěn)定分析，一般的結(jié)構(gòu)分析軟件是不包含這個(gè)內(nèi)容的（當(dāng)然，如果你有這方面的意識，是完全可以找到計(jì)算它的途徑）。也就是說，我們有可能忽視了一項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容，那會有什么后果呢？下面我們通過一個(gè)具體的工程實(shí)例進(jìn)行分析。
二、工程實(shí)例
有某籃球場，長39m，寬44.4m，單跨22.2m共兩跨，柱距7.8m，屋面排水坡度按圓弧的坡度內(nèi)排水，處為11.5m，最低處為8.348m。屋面采用單層彩鋼板，四周墻面敞開。恒載為0.25KN/ m2，活載為0.50 KN/ m2，基本風(fēng)壓為0.35 KN/ m2。屋面梁采用焊接H形鋼梁；中柱采用焊接H形鋼柱；邊柱采用四弦桿桁架柱；中柱與鋼梁剛接連接，邊柱與鋼梁鉸接連接。
桁架截面參數(shù)：四根弦桿采用Φ140x4.0圓管，弦桿中心距均為0.8m；腹桿均為Φ60x3.0圓管；材質(zhì)均為Q235B。柱高為11.7m。用“3D3S”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得柱的應(yīng)力比，強(qiáng)度：0.10，穩(wěn)定：0.12。
為了進(jìn)一步說明問題，我們對此工程的桁架柱的參數(shù)作一些修改。
材料：Q235級鋼
桁架高0.4m，寬0.4m；豎腹桿(水平綴條)間距為0.6m
截面規(guī)格：弦桿(分肢)Φ140x6.0，腹桿(綴條)均為Φ60x3.0
對X軸的計(jì)算長度：30m
對Y軸的計(jì)算長度：30m
假定軸向力：-658.24KN（壓）
彎矩Mx：118.56KN·m
在“3D3S”設(shè)計(jì)軟件中建立三維建模計(jì)算此桁架柱，得應(yīng)力比如下：
強(qiáng)度應(yīng)力比：0.84
繞x軸、y軸的整體穩(wěn)定性應(yīng)力比：0.925
下面我們按規(guī)范中格構(gòu)柱公式來計(jì)算此桁架柱。
⑴.強(qiáng)度計(jì)算：
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的公式5.2.1
截面左上角、右上角應(yīng)力均為σ=-9.85Mpa
截面左下角、右下角應(yīng)力均為σ=-181.26Mpa
截面應(yīng)力為σ=-181.26Mpa，強(qiáng)度應(yīng)力比為0.84。
⑵.穩(wěn)定計(jì)算：
a.構(gòu)件長細(xì)比計(jì)算
根據(jù)構(gòu)件的截面形狀進(jìn)行分類計(jì)算
截面面積為：10103.36
與X軸垂直的斜綴條毛截面面積為：1074.42
截面對X軸長細(xì)比λx=145.95
與Y軸垂直的斜綴條毛截面面積為：1074.42
截面對X軸長細(xì)比λy=145.95
構(gòu)件截面屬于采用綴條的四肢格構(gòu)式截面
換算長細(xì)比，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的公式5.2.3-5，5.1.3-6
綴條四%考試大%肢格構(gòu)柱，長細(xì)比λox=147.24
綴條四肢格構(gòu)柱，長細(xì)比λoy=147.24
b.整體構(gòu)件的穩(wěn)定性
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的附錄C
對于x軸：截面屬于b類，φx=0.32
對于y軸：截面屬于b類，φy=0.32
截面為閉合截面或格構(gòu)式不符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003所列出的分類形式，因此取均勻彎曲受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定驗(yàn)算φb=1.00。
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的公式5.2.6-1，其中My的平面外穩(wěn)定作用根據(jù)規(guī)范5.2.3條忽略。
整體穩(wěn)定應(yīng)力σ=440.70Mpa，應(yīng)力比=2.05。超出了容許應(yīng)力，不安全。
對于分肢及綴條的強(qiáng)度、穩(wěn)定性的驗(yàn)算本文從簡?！ ?BR> 從上面的計(jì)算分析可以看出，對于長細(xì)比比較大的桁架柱，忽視整體穩(wěn)定計(jì)算是不安全的，在對整體穩(wěn)定分析缺少計(jì)算條件的情況下，可以將規(guī)范中關(guān)于格構(gòu)柱的理論作為設(shè)計(jì)參考。
鋼管桁架作為梁結(jié)構(gòu)的使用是我們所熟悉的，空間體系常用的有倒三角型，即三根鋼管作為弦桿，以及有四根鋼管的矩形或者梯形的結(jié)構(gòu)形式。鋼管桁架作為柱結(jié)構(gòu)來使用也越來越普遍了，實(shí)際上它也是一種格構(gòu)式柱，弦桿就是柱的分肢，腹桿就是柱的綴材。在具體設(shè)計(jì)過程中，也就是在利用分析設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常意義上的格構(gòu)柱，在計(jì)算模型中我們往往作為一個(gè)整體構(gòu)件，而對桁架式柱，則所有的弦桿腹桿作為模型中的獨(dú)立的單元，因?yàn)楝F(xiàn)在的計(jì)算機(jī)的容量處理它們早就不再是問題了。
為什么會這樣做呢？因?yàn)橛行┙Y(jié)構(gòu)工程師這樣覺得計(jì)算會更加精確，每個(gè)小構(gòu)件，軟件都給出了它們的應(yīng)力值。但是有個(gè)問題值得討論一下，我們知道，對受壓構(gòu)件，在設(shè)計(jì)中要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算，對強(qiáng)度計(jì)算沒什么問題，對穩(wěn)定呢？軟件給出的一般是所謂的單桿穩(wěn)定，弦桿的計(jì)算長度系數(shù)一般默認(rèn)取為節(jié)間距離，而單桿穩(wěn)定應(yīng)力也是基于這個(gè)計(jì)算長度的，對應(yīng)單桿穩(wěn)定，還有一個(gè)名詞叫整體穩(wěn)定分析，一般的結(jié)構(gòu)分析軟件是不包含這個(gè)內(nèi)容的（當(dāng)然，如果你有這方面的意識，是完全可以找到計(jì)算它的途徑）。也就是說，我們有可能忽視了一項(xiàng)計(jì)算內(nèi)容，那會有什么后果呢？下面我們通過一個(gè)具體的工程實(shí)例進(jìn)行分析。
二、工程實(shí)例
有某籃球場，長39m，寬44.4m，單跨22.2m共兩跨，柱距7.8m，屋面排水坡度按圓弧的坡度內(nèi)排水，處為11.5m，最低處為8.348m。屋面采用單層彩鋼板，四周墻面敞開。恒載為0.25KN/ m2，活載為0.50 KN/ m2，基本風(fēng)壓為0.35 KN/ m2。屋面梁采用焊接H形鋼梁；中柱采用焊接H形鋼柱；邊柱采用四弦桿桁架柱；中柱與鋼梁剛接連接，邊柱與鋼梁鉸接連接。
桁架截面參數(shù)：四根弦桿采用Φ140x4.0圓管，弦桿中心距均為0.8m；腹桿均為Φ60x3.0圓管；材質(zhì)均為Q235B。柱高為11.7m。用“3D3S”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得柱的應(yīng)力比，強(qiáng)度：0.10，穩(wěn)定：0.12。
為了進(jìn)一步說明問題，我們對此工程的桁架柱的參數(shù)作一些修改。
材料：Q235級鋼
桁架高0.4m，寬0.4m；豎腹桿(水平綴條)間距為0.6m
截面規(guī)格：弦桿(分肢)Φ140x6.0，腹桿(綴條)均為Φ60x3.0
對X軸的計(jì)算長度：30m
對Y軸的計(jì)算長度：30m
假定軸向力：-658.24KN（壓）
彎矩Mx：118.56KN·m
在“3D3S”設(shè)計(jì)軟件中建立三維建模計(jì)算此桁架柱，得應(yīng)力比如下：
強(qiáng)度應(yīng)力比：0.84
繞x軸、y軸的整體穩(wěn)定性應(yīng)力比：0.925
下面我們按規(guī)范中格構(gòu)柱公式來計(jì)算此桁架柱。
⑴.強(qiáng)度計(jì)算：
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的公式5.2.1
截面左上角、右上角應(yīng)力均為σ=-9.85Mpa
截面左下角、右下角應(yīng)力均為σ=-181.26Mpa
截面應(yīng)力為σ=-181.26Mpa，強(qiáng)度應(yīng)力比為0.84。
⑵.穩(wěn)定計(jì)算：
a.構(gòu)件長細(xì)比計(jì)算
根據(jù)構(gòu)件的截面形狀進(jìn)行分類計(jì)算
截面面積為：10103.36
與X軸垂直的斜綴條毛截面面積為：1074.42
截面對X軸長細(xì)比λx=145.95
與Y軸垂直的斜綴條毛截面面積為：1074.42
截面對X軸長細(xì)比λy=145.95
構(gòu)件截面屬于采用綴條的四肢格構(gòu)式截面
換算長細(xì)比，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的公式5.2.3-5，5.1.3-6
綴條四%考試大%肢格構(gòu)柱，長細(xì)比λox=147.24
綴條四肢格構(gòu)柱，長細(xì)比λoy=147.24
b.整體構(gòu)件的穩(wěn)定性
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的附錄C
對于x軸：截面屬于b類，φx=0.32
對于y軸：截面屬于b類，φy=0.32
截面為閉合截面或格構(gòu)式不符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003所列出的分類形式，因此取均勻彎曲受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定驗(yàn)算φb=1.00。
根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的公式5.2.6-1，其中My的平面外穩(wěn)定作用根據(jù)規(guī)范5.2.3條忽略。
整體穩(wěn)定應(yīng)力σ=440.70Mpa，應(yīng)力比=2.05。超出了容許應(yīng)力，不安全。
對于分肢及綴條的強(qiáng)度、穩(wěn)定性的驗(yàn)算本文從簡?！ ?BR> 從上面的計(jì)算分析可以看出，對于長細(xì)比比較大的桁架柱，忽視整體穩(wěn)定計(jì)算是不安全的，在對整體穩(wěn)定分析缺少計(jì)算條件的情況下，可以將規(guī)范中關(guān)于格構(gòu)柱的理論作為設(shè)計(jì)參考。